Углеродно-нейтральное топливо — топливо, которое не вызывает чистых выбросов парниковых газов или углеродного следа. На практике это обычно означает топливо, которое производится с использованием диоксида углерода (CO2) в качестве сырья. Предлагаемые углеродно-нейтральные топлива можно в широком смысле разделить на синтетические топлива, которые получают путём химического гидрирования диоксида углерода, и биотоплива, которые производятся с использованием естественных процессов потребления CO2, таких как фотосинтез.

Двуокись углерода, используемая для производства синтетического топлива, может улавливаться непосредственно из воздуха, рециркулироваться из отработавших газов электростанций или производиться из угольной кислоты в морской воде. Примеры синтетического топлива включают водород, аммиак и метанLeighty and Holbrook (2012) «Running the World on Renewables: Alternatives for Trannd Low-cost Firming Storage of Stranded Renewable as Hydrogen and Ammonia Fuels via Underground Pipelines» Proceedings of the ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress & Exposition November 9-15, 2012, Houston, Texas, хотя более сложные углеводороды, такие как бензин и керосин, также были успешно синтезированы искусственно. Помимо того, что такие возобновляемые виды топлива являются углеродно-нейтральными, они могут снизить затраты на импорт ископаемого топлива и уменьшить зависимость от него. Дополнительным преимуществом может стать отсутствие необходимости перехода автотранспорта на электропривод или водородное топливо (Review.). Чтобы процесс был действительно углеродно-нейтральным, любая энергия, необходимая для этого процесса, должна быть сама по себе углеродно-нейтральной, например, возобновляемые источники энергии или ядерная энергия (Review.) (Review.) (Review.).

Если при сжигании углеродно-нейтрального топлива происходит улавливание углерода в дымоходе или выхлопной трубе, это приводит к чистым отрицательным выбросам углекислого газа и, таким образом, может представлять собой форму восстановления парниковых газов. Отрицательные выбросы считаются главным компонентом усилий по ограничению глобального потепления, хотя обеспечивающие их технологии в настоящее время не являются экономически конкурентоспособными. Углеродные кредиты, вероятно, будут играть важную роль в продвижении топлива с отрицательным выбросом углерода.

Производство Углеродно-нейтральные виды топлива представляют собой синтетические углеводороды. Основным их источником являются химические реакции между углекислым газом и водородом, который образуется при электролизе воды с использованием возобновляемых источников энергии. Топливо, часто называемое электротопливом, является аккумулятором энергии, использованной для производства водорода. Уголь также можно использовать для производства водорода, но он не будет углеродно-нейтральным источником. Углекислый газ можно улавливать и подвергать захоронению, делая ископаемое топливо углеродно-нейтральным, хотя и не возобновляемым. Улавливание углерода из выхлопных газов может превратить углеродно-нейтральное топливо в топливо с отрицательным выбросом углерода. Природные углеводороды можно расщеплять с образованием водорода и диоксида углерода, который затем подвергается захоронению, в то время как водород используется в качестве топлива. Этот процесс также будет углеродно-нейтральным.

Наиболее энергоэффективным и технологичным в производстве топливом является газообразный водород, который можно использовать в транспортных средствах с водородными топливными элементами. Водородное топливо обычно получают электролизом воды. Затем посредством реакции Сабатье можно произвести метан, то есть синтетический природный газ, который может хранится для последующего сжигания на электростанциях, транспортироваться по трубопроводу, грузовым автомобилем или танкером-газовозом, использоваться в процессах типа газ-жидкость, таких как процесс Фишера-Тропша, для производства жидкого топлива для транспорта или отопления.

Есть ещё несколько видов топлива, которые можно создать с использованием водорода. Муравьиная кислота, например, может быть получена путём реакции водорода с CO2. Муравьиная кислота в сочетании с CO2 может образовывать изобутанолhttps://cleanleap.com/extracting-energy-air-future-fuel Extracting energy from air — is this the future of fuel?.

Метанол можно получить в результате химической реакции молекулы углекислого газа с тремя молекулами водорода с образованием воды. Накопленная энергия может быть восстановлена путём сжигания метанола в двигателе внутреннего сгорания с выделением диоксида углерода, воды и тепла. Метан может быть получен аналогичной реакцией. Важны особые меры предосторожности против утечки, поскольку метан почти в 100 раз сильнее CO2 с точки зрения потенциала глобального потепления. Далее можно химически объединять молекулы метанола или метана в более крупные молекулы углеводородного топлива.

Исследователи также предложили использовать метанол для производства диметилового эфира. Это топливо можно использовать как замену дизельному топливу из-за его способности самовоспламеняться при высоком давлении и температуре. Он уже используется в некоторых областях для отопления и производства энергии. Он нетоксичен, но должен храниться под давлением. Более крупные углеводороды и этанол также могут быть получены из диоксида углерода и водорода.

Все синтетические углеводороды обычно получаются при температурах 200—300 °С и при давлении от 20 до 50 бар. Для повышения эффективности реакции и создания желаемого типа углеводородного топлива обычно используются катализаторы. Такие реакции являются экзотермическими и используют около 3 моль водорода на моль вовлечённого углекислого газа. Они также производят большое количество воды в качестве побочного продукта.

Источники углерода для вторичной переработки Наиболее экономичным источником углерода для переработки в топливо являются выбросы дымовых газов от сжигания ископаемого топлива, где его можно получить примерно по 7,50 долларов США за тонну. Однако процесс не является углеродно-нейтральным, поскольку углерод имеет ископаемое происхождение и перемещается из геосферы в атмосферу. Улавливание выхлопных газов автомобилей также считается экономичным, но потребует значительных изменений конструкции или модернизации. Поскольку углекислый газ в морской воде находится в химическом равновесии с атмосферным углекислым газом, изучается извлечение углерода из морской воды. Исследователи подсчитали, что извлечение углерода из морской воды будет стоить около 50 долларов за тонну. Улавливание углерода из атмосферного воздуха обходится дороже — от 94 до 232 долларов за тонну и считается непрактичным для синтеза топлива или связывания углерода. Улавливание из воздуха менее развито, чем другие методы. Обычно используют щёлочи для реакции с диоксидом углерода воздуха и образованием карбонатов. Затем карбонаты могут быть расщеплены и гидратированы, чтобы высвободить чистый CO2 и регенерировать щёлочь. Этот процесс требует больше энергии, чем другие методы, поскольку концентрация углекислого газа в атмосфере намного ниже, чем в других источниках.

Кроме того, в качестве источника углерода для производства топлива предлагается использовать биомассу. Добавление водорода в биомассу уменьшит количество углерода в ней и приводит к образованию топлива. Преимущество этого метода заключается в использовании растительного вещества для дешёвого улавливания углекислого газа. Растения также добавляют к топливу химическую энергию из биологических молекул. Это может быть более эффективным использованием биомассы, чем обычное биотопливо, потому что оно использует большую часть углерода и химической энергии из биомассы вместо того, чтобы высвободить столько же энергии и углерода. Его главный недостаток заключается в том, что, как и при обычном производстве этанола, он конкурирует с производством пищевых продуктов.

Затраты на возобновляемую и ядерную энергию Энергия ветра в ночное время считается наиболее экономичной формой электроэнергии, с помощью которой можно синтезировать топливо, потому что кривая нагрузки для систем электроснабжения резко достигает пиков в дневные часы, тогда как ветер имеет тенденцию дуть немного сильнее ночью, чем днем. Таким образом, стоимость ночной ветроэнергетики зачастую намного ниже, чем стоимость любой альтернативы. Цены на ветроэнергетику в непиковые периоды в областях с сильным ветром в США в среднем составляли 1,64 цента за киловатт-час в 2009 году и только 0,71 цента/кВт-ч в ночное время. Как правило, оптовая цена на электроэнергию в течение дня составляет от 2 до 5 центов за киловатт-час. Коммерческие компании по синтезу топлива предполагают, что синтетический бензин становится дешевле обычного при цене на нефть выше 55 долларов за баррель.

В 2010 году группа химиков-технологов во главе с Хизер Уиллауэр из ВМС США подсчитала, что имея 100 МВт электрической мощности, можно в день произвести 160 м³ топлива для реактивных двигателей, а производство на борту кораблей с ядерной энергетической установкой будет стоить около $1600 за кубометр ($6 за американский галлон). Хотя в 2010 году это примерно вдвое превышало стоимость нефтяного топлива, ожидалось, что она будет намного ниже рыночной цены менее чем за пять лет, если последние тенденции сохранятся. Более того, поскольку доставка топлива авианосной группе стоит около $8 за американский галлон, производство на месте оказывается намного дешевле.

Уиллауэр отмечает, что морская вода — «лучший вариант» в качестве источника углерода для синтетического реактивного топлива. К апрелю 2014 года команда Уиллауэр ещё не произвела топливо в соответствии со стандартом для военных самолётов, но в сентябре 2013 года она смогла использовать синтетическое топливо для полёта радиоуправляемой модели, приводимой в движение двумя двухтактными двигателями внутреннего сгорания. Поскольку для этого процесса требуются большие затраты электроэнергии, первыми носителями установки для производства собственного реактивного топлива будут атомные авианосцы типа «Нимиц» и «Джеральд Форд». Ожидается, что ВМС США развернут эту технологию в 2020-х годах.

Демонстрационные проекты и коммерческое развитие Завод по синтезу метана мощностью 250 киловатт был построен Центром солнечной энергии и исследований водорода (ZSW) в Баден-Вюртемберге и Обществом Фраунгофера в Германии и начал работу в 2010 году. Его модернизируют до 10 мегаватт, завершение работы намечено на осень 2012 года.

Завод Джорджа Ола по переработке углекислого газа, которым управляет компания Carbon Recycling International в Гриндавике, Исландия, с 2011 года производит 2 миллиона литров транспортного топлива из метанола в год из дымовых газов электростанции Сварценги«George Olah CO2 to Renewable Methanol Plant, Reykjanes, Iceland» (Chemicals-Technology.com). Его максимальная мощность составляет 5 миллионов литров в год«First Commercial Plant» (Carbon Recycling International).

Audi построила завод по производству сжиженного природного газа (СПГ) с нулевым выбросом углерода в Верльте, Германия. Завод предназначен для производства транспортного топлива, используемого в их автомобилях A3 Sportback g-tron, и может при своей первоначальной мощности извлекать из атмосферы 2800 метрических тонн CO2 в год.

Коммерческие разработки внедряются в Колумбии (шт. Южная Каролина), Камарилло (шт. Калифорния) и Дарлингтоне (Великобритания). Демонстрационный проект в Беркли, Калифорния, предлагает синтез топлива и пищевых масел из восстановленных дымовых газов.

Удаление парниковых газов